两亲聚合物驱在油田应用进展研究
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摘 要 随着我国国民经济稳定增长，对石油的需求不断提高，驱油剂和驱油技术进步对满足我国日益增长的石油需求具有重大意义
关键词 三次采油 聚合物 渗流特性 粘弹效应
中图分类号：TQ211 文献标识码：A
随着我国国民经济稳定增长，对石油的需求不断提高。2010年，我国石油对外依存度已超过50 %，国家面临重大经济和国家安全问题。提高原油产量途径一方面是加大勘探力度以寻找新的储量，另一方面是大力提高已开发油田剩余油采收率，而化学驱是我国主要的三次采油方法。三次采油的目标是最大限度地提高驱油剂在油藏中的波及体积和洗油效率从而大幅度提高原油采收率。波及体积的扩大要求驱油剂具有很好的增粘特性和良好的控制流度能力，洗油效率的提高要求驱油剂与原油能形成超低界面张力或与原油能发生乳化以大幅度减小毛管力。化学驱技术在我国发展很快，其中聚合物驱技术已实现工业应用，可以在水驱基础上提高原油采收率10 %以上，三元（碱/表面活性剂/聚合物）复合驱技术也在工业推广应用，在水驱基础上可以提高原油采收率20 %以上，仅大庆油田就可以增加可采原油储量12亿吨以上，聚合物每年增加原油产量达1200多万吨。可见，驱油剂和驱油技术进步对满足我国日益增长的石油需求具有重大意义。
目前聚合物驱和复合驱所用的聚合物多为相对分子质量较高的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），在实际应用时主要存在着下述问题：（1）由于相对分子质量较高和碳链较长聚合物易发生剪切降解；（2）亲水基团羧酸根对高价金属离子非常敏感；（3）温度大于70 ℃时易发生水解；（4）不具有疏水基团、不能形成聚集体和不具备乳化作用。以HMPAM为例，在稀溶液中，两亲聚合物以分子内缔合为主，溶液中存在的主要是单分子胶束，溶液表观粘度与HPAM相差不大，由于HMPAM分子量相对低于HPAM，HMPAM溶液表观粘度甚至要低于HPAM；浓度大于CAC时，两亲聚合物以分子间缔合为主，溶液中存在的是主要是超分子聚集体，两亲聚合物在溶液中形成空间网络结构，溶液表观粘度显著增加。Christophe Chassenieux等总结了两亲聚合物溶液的流变性质，认为具有不同拓扑结构的两亲聚合物具有不同的聚集行为，而HMPAM就拓扑结构而言属于multi-sticker polymer。
2 两亲聚合物渗流特性
2.1两亲聚合物溶液在多孔介质中的滞留
在渗流过程中，多孔介质会对两亲聚合物一直保持着动态吸附作用。对于两亲聚合物溶液来说，存在两种状态可进行动态吸附的物质，一种是两亲聚合物分子形成的无规线团，另一种是两亲聚合物超分子网络结构（只有两亲聚合物浓度超过临界缔合浓度时形成），两种形态的两亲聚合物吸附滞留在孔隙表面或孔喉处，这种作用导致两亲聚合物渗流过程中发生严重的损失。两亲聚合物渗流过程中有明显的滞留现象，分析两亲聚合物在基质表面和孔喉处的滞留状态，可将其分为聚合物分子在多孔介质表面的吸附、无规线团在孔喉处的捕集和缔合网络结构在孔喉处的捕集三种滞留形式。具体来说，两亲聚合物渗流过程中有以下几种滞留方式和状态：
（1）聚合物分子在多孔介质表面的吸附。多孔介质表面吸附了大量的两亲聚合物分子，这是由于两亲聚合物水溶液分子链带电进而与岩石带电表面形成静电引力，或者通过与岩石表面分子间产生范德华力作用，还有作用力更强的氢键的作用，这三种作用使两亲聚合物分子牢牢吸附在基质的表面上。
（2）缔合网络结构在孔喉处的捕集。两亲聚合物浓度超过CAC（临界缔合浓度）后，两亲聚合物溶液中会形成大量的超分子网络结构，当这种网络结构在流经半径较小的孔喉处时，如果体系压力不够，将会在孔喉处发生滞留。
（3）无规线团在孔喉处的捕集。两亲聚合物分子不仅能形成超分子网络结构，它也有普通聚合物的性质，即可以形成无规线团。这种无规线团虽然没有超分子网络结构的物理尺寸那么大，但其通过孔喉时，同样会滞留卡堵在小孔喉处。
2.2 两亲聚合物溶液渗流过程中的粘弹效应
渗流过程中，两亲聚合物溶液会表现出非牛顿流体的流变学特性，即剪切胀流性，常规的幂律流体，溶液视粘度会随着等效剪切速率增加而减小。但两亲聚合物却表现出溶液视粘度随着等效剪切速率的增大而增大的现象，而当使用粘度计或者流变仪测定两亲聚合物溶液的表观粘度时，两亲聚合物的粘度会随着剪切速率增大而减小。两亲聚合物在多孔介质和粘度计中出现这样两种截然相反的情况，具体分析其中的原因：使用粘度计测量粘度时，两亲聚合物溶液在测量筒中只受到剪切应力的作用，符合幂律型流体的流变性；而在多孔介质流动过程中，由于多孔介质为两亲聚合物流动提供的通道是大小不一的无规则孔道，两亲聚合物在这些孔道流动的时候受到不同程度的压缩或者拉伸，两亲聚合物产生反抗的应力，这就是两亲聚合物在多孔介质中的弹性效应。当两亲聚合物浓度超过CAC后，浓度的继续增加会增大单位溶液体积中分子链上的疏水基团数，进而形成一种具有很大的空间性的超分子网络结构，超分子网络结构使溶液的流体力学半径增大。因此，渗流过程中两亲聚合物超分子网络结构受到这些无规则通道的拉伸，形成的超分子网络结构粘弹性越强，反抗拉伸的应力越大。当流速增大时，拉伸作用会增强，因此表现为随着等效剪切速率的增大，两亲聚合物视粘度增加。从上面的分析可以看出，渗流过程中，两亲聚合物溶液受到两种作用，一种是来自岩石表面的机械剪切而导致的粘度下降作用，另一种是不规则通道的拉伸作用，因此两亲聚合物渗流过程中的视粘度由两部分组成，即本体粘度和粘弹性造成的拉伸粘度。
参考文献
[1] 陈铁龙，蒲万芬.聚合物应用评价方法[M].石油工业出版社，1996.